WO2010069301A2 - Fully variable turbine for exhaust gas turbocharger - Google Patents

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WO2010069301A2 PCT/DE2009/001818 DE2009001818W WO2010069301A2 WO 2010069301 A2 WO2010069301 A2 WO 2010069301A2 DE 2009001818 W DE2009001818 W DE 2009001818W WO 2010069301 A2 WO2010069301 A2 WO 2010069301A2
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Siegfried Sumser
Markus Mueller
Peter Fledersbacher
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Tti Turbo Technik Innovation Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1, as well as a method for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 10.
  • the invention also relates to an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 14.
  • Such adjusting device is known for example in the form of a rotary vane.
  • a rotatable adjusting ring is provided, by means of which a narrowest guide grid cross-section and a blade angle of the guide grid can be variably adjusted by means of a rotary movement.
  • This adjustment is used for example in exhaust gas turbochargers of a diesel car use.
  • a so-called axial slide which represents another form of a guide grid.
  • the guide grid or a die performs an axial longitudinal movement.
  • the effective blade height of the turbine wheel is variably adjustable.
  • Such adjusting device is used in particular in turbocharged gasoline engines use.
  • an axial slide turbine is often used in the context of exhaust gas recirculation boundary conditions.
  • tongue slider are known to a Spiralesqueritessversteliung. Tongues for multi-segment turbines perform a rotary motion. Especially in connection with a Single-tube shock charging operation such turbines or adjusting devices are used.
  • an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine having the features of patent claim 1.
  • the invention also includes a method for an exhaust gas turbocharger with the features of claim 10 and an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger having the features of claim 14.
  • Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.
  • a first Adjusting device in particular a cone slide, is arranged for variable adjustment of a Turbinenradaustrittsströmungs constitution, according to the invention in a turbine wheel inlet region, a second adjusting device for variable adjustment of a turbine wheel inlet flow surface is arranged.
  • the first adjusting device has an axial main movement.
  • the second adjusting device is designed as a guide grid, in particular as a rotary blade, in which a rotatable adjusting ring is provided, and a guide grid cross-section and a blade angle are variably adjustable.
  • This aspect offers a high degree of flexibility with regard to the adjustment of the turbine wheel inlet flow area in the turbine wheel inlet area while avoiding unnecessarily complicated adjustment directions or types of movement.
  • the second adjustment device is designed as a guide grid, in particular as an axial slide.
  • a guide grid or a die in the axial Longitudinal direction of the exhaust gas turbocharger movable and / or a blade height variably adjustable.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the adjusting devices are coupled and adjustable with a common adjusting movement. This has the advantage that a number of components for adjusting the two adjusting devices is kept low, which on the one hand saves costs and on the other hand reduces possible sources of error for a defect of such an exhaust gas turbocharger.
  • the two adjusting devices are electrically coupled together.
  • the electrical coupling saves space. Furthermore, in the case of an electrical coupling, wear is minimized or even completely avoided, which further reduces the probability of failure of the exhaust gas turbocharger.
  • the adjusting devices are pneumatically coupled together.
  • a pneumatic coupling has the advantage that a total weight of the exhaust gas turbocharger can be kept low. Also, this small, that is low in cross-section, and any forms of An horrungs- or coupling channels possible.
  • Another advantageous aspect of the invention provides that the adjusting devices are hydraulically coupled. A hydraulic coupling allows a transmission of large forces, especially in the case of using an incompressible fluid. Also, a maintenance intensity is reduced compared to a pneumatic coupling.
  • the adjusting devices are mechanically coupled together. This has the advantages that a mechanical coupling is the most cost-effective to implement. Also in terms of mechanical reliability, the mechanical coupling offers the greatest potential, since thus a robust coupling with a long service life can be realized.
  • This method is particularly advantageous to use in conjunction with a previously mentioned exhaust gas turbocharger.
  • the inventive method an efficiency optimum operation of the exhaust gas turbocharger in a wide turbine operating range of Exhaust gas turbocharger and be realized in a wide operating range of the internal combustion engine.
  • adjusting devices are adjusted with a common adjusting movement in the method, a programming and control effort can be kept low, whereby costs, in particular development costs, can be saved.
  • Particularly effective for carrying is a use of a method according to the invention and an exhaust gas turbocharger according to the invention for carrying, when they are used in an internal combustion engine. Due to the efficiency-optimal operation described in a wide range of operating points fuel consumption of the internal combustion engine and thus CO 2 emissions derselbigen can be reduced, on the one hand the environment and on the other hand the driver of the motor vehicle, in which such an internal combustion engine is installed benefits.
  • a computing unit is provided, by means of which a method according to the invention can be carried out.
  • Such a computing unit makes it possible to adapt the adjusting devices as quickly as possible to the operating point of the internal combustion engine for optimum efficiency of the exhaust gas turbocharger.
  • a particularly rapid adjustment of the adjustment to the operating point is therefore desirable and has the advantage that the response of the exhaust gas turbocharger thereby significantly improved and thus a turbo lag is reduced or avoided.
  • FIG. 1 shows a course of a flow rate parameter of an exhaust gas turbocharger over a turbine pressure ratio, with an upper and a lower limit given by abutment positions of an adjusting device in a turbine wheel inlet area
  • FIG. 2 shows sections of a longitudinal section through a turbine of an exhaust gas turbocharger with an adjusting device in a turbine wheel inlet region and with an adjusting device in a turbine wheel outlet region
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a turbine of an exhaust gas turbocharger with a different adjustment device from FIG. 2 in a turbine wheel inlet region and an adjusting device in a turbine wheel outlet region, as in FIG. 2, FIG.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a supercharging system with an exhaust-gas turbocharger, which in each case has an adjusting device both in a turbine-wheel inlet region and in a turbine-wheel outlet region.
  • FIG. 1 shows a throughput diagram which is of central importance with regard to an adjustment of an adjusting device both in a turbine wheel inlet area and a turbine wheel outlet area
  • two embodiments for an adjusting device in just the turbine wheel inlet area and the turbine wheel outlet area are shown in FIG. 2 and in FIG. wherein the adjusting device in the turbine wheel outlet region in Fig. 2 and in Fig. 3 is the same.
  • the difference between Fig. 2 and Fig. 3 consists in the adjustment in Turbinenradeintritts Scheme.
  • FIG. 4 shows a further possibility for an efficiency advantage of an exhaust gas turbocharger, in which a blade design of a turbine wheel is adapted.
  • FIG. 5 shows the relationship between a released flow area and a movement of an adjusting device in the turbine wheel inlet area and an adjusting device in the turbine wheel outlet area, wherein in each case the adjusting devices from FIG. 2 and FIG. 3 are dealt with.
  • FIG. 6 shows an overview of an exhaust-gas turbocharger, which in each case has an adjusting device in the turbine-wheel inlet region and in the turbine-wheel outlet region, with further components of a supercharging system of an internal combustion engine.
  • a throughput region 14 of a turbine of an exhaust gas turbocharger which is an adjustment region of the adjustment device and is delimited by a lower stop 10 and an upper stop 12 of an adjustment device, is conventionally only by means of an adjustment device in a turbine wheel entry region, in other words by a wheel entry variability. realized.
  • Turbinenradaustrittsquerites is for this narrowest flow area in front of the turbine wheel, ie at a turbine wheel inlet cross-section, too many times.
  • a design position for example, in the middle position
  • strong efficiency deductions that can be 20- to over 30% points in turbocharger turbines for a car or a commercial vehicle application.
  • a narrowest outlet flow cross section of the turbine wheel is set to a small value, wherein a Inlet flow cross-section of the turbine wheel at the same throughput line (bottom stop) is assigned to larger values, which leads to more favorable efficiency degrees of reaction of the turbine with values above 0 optionally also depending on the design over a value of 0.3.
  • the entry variability is set to a maximum flow area value for a standard turbine.
  • the unchangeable flow area at the turbine outlet is in many cases designed for a medium throughput operating point.
  • a narrowest flow cross section at the turbine wheel outlet is usually too small compared to a narrowest flow cross section at the turbine wheel inlet.
  • reaction degree values which are usually well above a value of 0.6 or even above a value of 0.8. Large efficiency reductions are dominated in this operating range by very high losses at the turbine wheel outlet.
  • the turbine with an adjusting device in the turbine wheel inlet region and an adjusting device in the turbine wheel outlet region becomes the narrowest in an upper throughput region (upper stop)
  • a speed dependency of the throughput diagram or a throughput characteristic curve will thereby be reduced and, due to the improved reaction degree values of the turbine, set an increased efficiency level with lowered turbine wheel outlet losses at the upper stop.
  • FIG. 2 shows a turbine 20 with an adjusting device in the form of a variable guide grid 24 in a turbine wheel inlet region 26 of a turbine wheel 22.
  • the adjusting device is a so-called rotary vane.
  • the variable baffle 24 of the rotary vane has rotatable vanes and is connected to an axially displaceable cone slide 28.
  • This conical slide 28 influences a narrowest flow cross-section of a turbine wheel outlet region 30.
  • Both adjusting devices that is to say the guide grid 24 and the cone slide 28, can be moved simultaneously via a single actuator which can be fastened to a connection part 32.
  • connection and guidance of the two adjusting devices via a sleeve 34 which performs in Fig. 2 in an adjustment phase a rotational movement about an axis of rotation 36 of the turbine wheel 22 and the guide rail 24 front side lever 38 of rotatable vanes about an axis 40 with a low tolerance Recess 42 includes.
  • a power transmission thus takes place between the recess 42 and a contact point 44 of the lever 38 shown here.
  • a variable adjustment of the flow cross-section is realized by means of the cone slide 28.
  • the cone slide 28 is guided by a housing contour piece 46 in the axial direction and axially positioned by its guide pins 48 (for example 3 over its circumference) via a slide groove 50 of the sleeve 34.
  • FIG. 3 also shows a turbine 60 with an adjusting device in the turbine wheel inlet region 26 and an adjusting device in the turbine wheel outlet region 30 of the turbine wheel 22.
  • the adjusting device in the turbine wheel outlet region 30 of the turbine wheel 22 is the known cone slide 28 from FIG. 1.
  • the adjusting device in the turbine wheel inlet region 26 is an axial slide.
  • An effective flow cross-section of a rigid guide grid 24 ' is determined in this case by means of a die 62, in whose blade profile openings guide vanes of the guide grid 24', from an axially set blade height ago.
  • the die 62 is fixedly connected to a sleeve 64 which has a plurality of larger recesses 66 over its circumference.
  • housing-side struts 68 extend for support, inter alia, an outer contour 68th
  • the die 62 in its end position, does not optimally release the turbine inlet region 26 as a larger opening. Since these positions are only relevant in a few operating points, a negative influence on overall operating behavior is only slightly noticeable.
  • Fig. 4 shows a contoured sleeve 80, which releases an outer contour of conventional designs.
  • a contoured sleeve 80 which releases an outer contour of conventional designs.
  • FIG. 5 basically shows decisive narrowest flow cross sections to be influenced as a function of a displacement angle ⁇ of the adjusting devices in the turbine wheel inlet region and in the turbine wheel outlet region.
  • the diagram 100 represents the turbine 20 from FIG. 2 with the rotary blade in the turbine wheel inlet area and the cone slider in FIG.
  • the diagram 100 represents the turbine 60 of FIG. 3 with the axial slide in the turbine wheel inlet region and the cone slide in the turbine wheel outlet region.
  • the respective upper course of the diagrams 100 and 100 ' represents a narrowest flow cross-section in the turbine wheel outlet region, in which case the diagrams 100 and 100' are arranged as adjusting device of the cone slides in both cases.
  • the respective lower course represents the narrowest flow cross section in the turbine wheel inlet area.
  • a rotary blade is arranged in the diagram 100 as adjusting device in the turbine wheel inlet region and an axial slide is shown in diagram 100 '.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a charging system 110.
  • a compressor 120 is arranged on an air side 114 of an exhaust gas turbocharger 118 and thus an internal combustion engine 112, the compressed and filtered by an air filter 122 compressed air to represent a certain air-fuel ratio in the internal combustion engine to a certain level of performance to reach.
  • an intercooler 124 for cooling the compressed air is provided on the air side 114.
  • an exhaust gas from an exhaust gas side 116 of the exhaust gas turbocharger 118 and thus the internal combustion engine 112 is tapped before a turbine 128 of the exhaust gas turbocharger 118 and an exhaust gas recirculation valve 126 and an exhaust gas recirculation cooler 130 is returned to the air side 114 of the exhaust gas turbocharger 118 and thus the internal combustion engine 112.
  • This realizes a high pressure EGR option.
  • Unreturned exhaust gas flows through the turbine 128 of the exhaust gas turbocharger 118, whereby the compressor 120 is driven on the air side 114 via a shaft 136.
  • the exhaust gas After leaving the turbine 128, the exhaust gas continues to flow through an exhaust aftertreatment system 132, where it is cleaned and flows into the environment.
  • a turbine 128 of the exhaust gas turbocharger 118 is a turbine with one adjusting device in each case in a turbine wheel inlet area and in a turbine wheel outlet area used. This may be, for example, the turbine shown in FIG. 2 or in FIG. 3.
  • the reference numeral 140 indicates the adjusting device in the turbine wheel inlet region, while the reference symbol 138 designates the adjusting device in the turbine wheel outlet region.
  • the adjusting device 140 can thereby move axially in the turbine wheel inlet region and / or perform a rotational movement, which is indicated by the directional arrows.
  • the adjusting device 138 in the turbine wheel outlet region can be adjusted in the axial direction according to the cone slide shown in FIGS. 2 and 3. It should be noted at this point that a rotational movement is also conceivable in the adjusting device in the turbine wheel outlet region and in particular in the cone slide, since there is no influence on flow parameters in the turbine wheel outlet region due to a rotational symmetry of the same.
  • the two adjusting devices 140 and 138 in Fig. 6 are coupled via a coupling 141, no matter what principle, and run to a single actuator 142 to.
  • This control element 142 and the exhaust gas recirculation are regulated by a control device 134 as a function of an operating point of the internal combustion engine 112 in accordance with requirements of the internal combustion engine 112, whereby flow parameters in the turbine wheel inlet region and in the turbine wheel outlet region are set to optimum efficiency.
  • the internal combustion engine 112 itself or its components such as a camshaft adjustment and / or an injection quantity et cetera are regulated by the control device 134.

Abstract

The invention relates to an exhaust gas turbocharger (118) for an internal combustion engine (112) having a turbine wheel (22), wherein in a turbine wheel outlet region (30) a first adjusting apparatus (28), in particular a conical slide (28), is arranged for the variable adjustment of a turbine wheel outlet flow surface, wherein in a turbine wheel inlet region (26) a second adjusting apparatus (24) is arranged for the variable adjustment of a turbine wheel inlet flow surface, and to a method for an exhaust gas turbocharger (118) for an internal combustion engine (112) having a turbine wheel (22), wherein by means of a first adjusting apparatus (28) arranged in a turbine wheel outlet region (30) a turbine wheel outlet flow surface is variably adjusted depending on operating parameters of the exhaust gas turbocharger (118), wherein by means of a second adjusting apparatus (24) arranged in a turbine wheel inlet region (26) a turbine wheel inlet flow surface is variably adjusted depending on operating parameters of the exhaust gas turbocharger (118). Due to steadily rising demands on the reduction of the fuel consumption and emissions values of the supercharged vehicle engines, future development activities will increasingly focus on the full variability of the exhaust gas turbocharger turbines.

Description

Vollvarioturbinen für Abgasturbolader Fully variable turbines for turbocharger
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , sowie ein Verfahren für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 10. Die Erfindung betrifft zudem eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 14.The invention relates to an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 1, as well as a method for an exhaust gas turbocharger according to the preamble of patent claim 10. The invention also relates to an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 14.
Bereits bekannt sind Abgasturbolader, die in einem Turbinenradeintrittsbereich variable Verstellvorrichtungen zur Einstellung von Strömungsparametern aufweisen.Exhaust gas turbochargers which have variable adjusting devices for setting flow parameters in a turbine wheel inlet area are already known.
Eine derartige Verstellvorrichtung ist beispielsweise in Form eines Drehschauflers bekannt. Dabei ist ein drehbarer Verstellring vorgesehen, mittels welchem über eine Drehbewegung desselbigen ein engster Leitgitterquerschnitt und ein Schaufelwinkel des Leitgitters variable einstellbar ist. Diese Verstellvorrichtung findet beispielsweise bei Abgasturboladern eines Diesel-PKW Verwendung.Such adjusting device is known for example in the form of a rotary vane. In this case, a rotatable adjusting ring is provided, by means of which a narrowest guide grid cross-section and a blade angle of the guide grid can be variably adjusted by means of a rotary movement. This adjustment is used for example in exhaust gas turbochargers of a diesel car use.
Weiterhin ist ein so genannter Axialschieber bekannt, der eine weitere Form eines Leitgitters darstellt. Dabei führt das Leitgitter oder eine Matrize eine axiale Längsbewegung durch. Außerdem ist damit die effektive Schaufelhöhe des Turbinenrades variabel einstellbar. Eine derartige Verstellvorrichtung findet insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren Verwendung.Furthermore, a so-called axial slide is known, which represents another form of a guide grid. In this case, the guide grid or a die performs an axial longitudinal movement. In addition, so that the effective blade height of the turbine wheel is variably adjustable. Such adjusting device is used in particular in turbocharged gasoline engines use.
Bei Nutzfahrzeug-Motoren kommt häufig eine Axialschieber-Turbine zum Einsatz im Rahmen von Abgasrückführungs-Randbedingungen.In commercial vehicle engines, an axial slide turbine is often used in the context of exhaust gas recirculation boundary conditions.
Darüber hinaus sind so genannte Zungenschieber zu einer Spiralenquerschnittsversteliung bekannt. Dabei führen Zungen für Mehrsegment- Turbinen eine Drehbewegung durch. Besonders in Zusammenhang mit einem Einzelrohr-Stoßaufladebetrieb kommen derartige Turbinen beziehungsweise Verstellvorrichtungen zum Einsatz.In addition, so-called tongue slider are known to a Spiralesquerschnittsversteliung. Tongues for multi-segment turbines perform a rotary motion. Especially in connection with a Single-tube shock charging operation such turbines or adjusting devices are used.
Auch im Bereich eines Turbinenradaustritts sind Verstellvorrichtungen zur variablen Einstellung von Strömungsparametern bekannt. Konusschieber zur Öffnung des Turbinenradaustritts führen dabei eine axiale Haupt-Bewegung durch.Also in the area of a turbine wheel outlet adjusting devices for the variable adjustment of flow parameters are known. Cone slides for opening the turbine wheel outlet thereby perform an axial main movement.
Nachteil der genannten Lösungen ist, dass das volle Potential für eine optimale thermodynamische Anpassung einer Turbine eines Abgasturboladers an einen Betriebspunkt nicht vollständig ausgeschöpft wird. Wünschenswert ist sowohl eine Verstellvorrichtung zur variablen Anpassung von Strömungsparametern vor einem Turbinenrad in einem Turbinenradeintrittsbereich wie auch in einem Turbinenradaustrittsbereich nach dem Turbinenrad.Disadvantage of the above solutions is that the full potential for optimal thermodynamic adaptation of a turbine of an exhaust gas turbocharger at an operating point is not fully utilized. Desirable is both an adjusting device for variably adapting flow parameters in front of a turbine wheel in a turbine wheel inlet region as well as in a turbine wheel outlet region downstream of the turbine wheel.
Mit variablen Verstellvorrichtungen im Turbinenradeintritts- und Turbinenradaustrittsbereich ergeben sich Einwirkungsmöglichkeiten auf einen Reaktionsgrad einer Turbine des Abgasturboladers, welcher eine Hauptgröße für einen wirkungsoptimalen Betrieb der Turbine darstellt.With variable adjustment devices in Turbinenradeintritts- and Turbinenradaustrittsbereich impact opportunities arise on a degree of reaction of a turbine of the exhaust gas turbocharger, which is a major factor for optimal operation of the turbine.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass voll variable Verstellvorrichtungen einer Turbine eines Abgasturboladers realisiert werden, mit denen breite Turbinenbetriebsbereiche mit hohen Wirkungsgraden abdeckbar sind. Weiterhin stehen ebenfalls eine hohe mechanische Zuverlässigkeit und eine kostengünstige Umsetzung im Mittelpunkt.It is therefore an object of the invention to develop such an exhaust gas turbocharger of the type mentioned that fully variable adjusting a turbine of an exhaust gas turbocharger are realized with which broad turbine operating ranges with high efficiencies can be covered. Furthermore, high mechanical reliability and cost-effective implementation are also the focus.
Diese Aufgaben werden durch einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zur Erfindung gehören auch ein Verfahren für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These objects are achieved by an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine having the features of patent claim 1. The invention also includes a method for an exhaust gas turbocharger with the features of claim 10 and an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger having the features of claim 14. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.
Bei einem solchen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbinenrad, bei welchem in einem Turbinenradaustrittsbereich eine erste Verstellvorrichtung, insbesondere ein Konusschieber, zur variablen Einstellung einer Turbinenradaustrittsströmungsfläche angeordnet ist, ist erfindungsgemäß in einem Turbinenradeintrittsbereich eine zweite Verstellvorrichtung zur variablen Einstellung einer Turbinenradeintrittsströmungsfläche angeordnet.In such an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine with a turbine wheel, wherein in a turbine wheel outlet region a first Adjusting device, in particular a cone slide, is arranged for variable adjustment of a Turbinenradaustrittsströmungsfläche, according to the invention in a turbine wheel inlet region, a second adjusting device for variable adjustment of a turbine wheel inlet flow surface is arranged.
Durch diese Verknüpfung von zwei Verstellvorrichtungen sowohl in dem Turbinenradeintrittsbereich als auch in dem Turbinenradaustrittsbereich können Strömungsparameter für das Turbinenrad des Abgasturboladers entsprechend einem thermodynamischen Bedarf derart eingestellt werden, dass sich ein wirkungsgradoptimaler Betrieb des Abgasturboladers einstellt. Weiterhin ist durch den Einsatz der beiden Verstellvorrichtungen dieser wirkungsgradoptimale Bereich über ein breites Spektrum an Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine möglich, da die beiden Verstellvorrichtungen eine große Bandbreite an Verstellmöglichkeiten bieten.As a result of this combination of two adjusting devices both in the turbine wheel inlet region and in the turbine wheel outlet region, flow parameters for the turbine wheel of the exhaust gas turbocharger can be adjusted in accordance with a thermodynamic requirement in such a way that optimum efficiency of the exhaust gas turbocharger is achieved. Furthermore, through the use of the two adjusting devices of this efficiency-optimal range over a wide range of operating states of the internal combustion engine is possible because the two adjusting devices offer a wide range of adjustment.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Verstellvorrichtung eine axiale Hauptbewegung auf. Durch diese relativ einfache Bewegungsart wird einer mechanischen Zuverlässigkeit Rechnung getragen, und zwar derart, dass aufwendige Bewegungsarten und zur Realisierung dieser aufwendigen Kinematik vermieden werden.In an advantageous embodiment of the invention, the first adjusting device has an axial main movement. By this relatively simple movement of a mechanical reliability is taken into account, in such a way that complex types of movement and to realize this complex kinematics are avoided.
Durch diese Vermeidung werden auch die Kosten für eine derartige Umsetzung gering gehalten.By avoiding this, the costs for such an implementation are kept low.
Diese Vorteile ergeben sich auch aus einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung, bei dem die zweite Verstellvorrichtung als ein Leitgitter, insbesondere als ein Drehschaufler, ausgebildet ist, bei welchem ein drehbarer Verstellring vorgesehen ist, und ein Leitgitterquerschnitt und ein Schaufelwinkel variabel einstellbar sind. Dieser Aspekt bietet ein hohes Maß an Flexibilität bezüglich der Einstellung der Turbinenradeintrittsströmungsfläche im Turbinenradeintrittsbereich bei gleichzeitiger Vermeidung von unnötig aufwendigen Verstellrichtungen beziehungsweise Bewegungsarten.These advantages also result from a further advantageous aspect of the invention in which the second adjusting device is designed as a guide grid, in particular as a rotary blade, in which a rotatable adjusting ring is provided, and a guide grid cross-section and a blade angle are variably adjustable. This aspect offers a high degree of flexibility with regard to the adjustment of the turbine wheel inlet flow area in the turbine wheel inlet area while avoiding unnecessarily complicated adjustment directions or types of movement.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Verstellvorrichtung als Leitgitter, insbesondere als ein Axialschieber, ausgebildet. Bei dieser Verstellvorrichtung ist ein Leitgitter oder eine Matrize in axialer Längsrichtung des Abgasturboladers bewegbar und/oder eine Schaufelhöhe variabel einstellbar.In an alternative embodiment of the invention, the second adjustment device is designed as a guide grid, in particular as an axial slide. In this adjustment, a guide grid or a die in the axial Longitudinal direction of the exhaust gas turbocharger movable and / or a blade height variably adjustable.
Auch durch diesen Aspekt der Erfindung sind mannigfaltige Verstellmöglichkeiten sowohl für den Turbinenradeintrittsbereich als auch für den Turbinenradaustrittsbereich realisiert bei gleichzeitiger Berücksichtigung der hohen mechanischen Zuverlässigkeit und der kostengünstigen Umsetzung der Lösung.Also by this aspect of the invention manifold adjustment possibilities are realized both for the turbine wheel inlet area and for the turbine wheel exit area while taking into account the high mechanical reliability and the cost-effective implementation of the solution.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Verstellvorrichtungen gekoppelt und mit einer gemeinsamen Stellbewegung verstellbar sind. Dies birgt den Vorteil, dass eine Anzahl an Komponenten zur Verstellung der beiden Verstellvorrichtungen gering gehalten wird, was einerseits Kosten einspart und andererseits mögliche Fehlerquellen für einen Defekt eines derartigen Abgasturboladers reduziert.An advantageous embodiment of the invention provides that the adjusting devices are coupled and adjustable with a common adjusting movement. This has the advantage that a number of components for adjusting the two adjusting devices is kept low, which on the one hand saves costs and on the other hand reduces possible sources of error for a defect of such an exhaust gas turbocharger.
Dies spart Kosten sowohl bei einer Montage des Abgasturboladers ein, da nur eine geringe Anzahl an Teilen montiert werden muss, als auch bei einem Einkauf der Teile und bei einer etwaigen Reparatur. Durch die so erreichte Reduzierung einer Ausfallwahrscheinlichkeit des Abgasturboladers werden gleichzeitig Wartungsintervalle des Abgasturboladers verlängert, was einen Zuwachs an Komfort und eine Reduzierung von Kosten für einen Fahrer eines Kraftwagens, in den ein derartiger Abgasturbolader eingebaut ist, mit sich bringt.This saves costs both in an assembly of the exhaust gas turbocharger, since only a small number of parts must be mounted, as well as a purchase of the parts and any repair. At the same time maintenance intervals of the exhaust gas turbocharger are extended by the thus achieved reduction of a probability of failure of the exhaust gas turbocharger, which entails an increase in comfort and a reduction of costs for a driver of a motor vehicle, in which such an exhaust gas turbocharger is installed.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Verstellvorrichtungen elektrisch miteinander gekoppelt. Die elektrische Koppelung spart Bauraum. Des weiteren wird bei einer elektrischen Koppelung ein Verschleiß minimiert oder gar ganz vermieden, was die Ausfallwahrscheinlichkeit des Abgasturboladers weiter senkt.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the two adjusting devices are electrically coupled together. The electrical coupling saves space. Furthermore, in the case of an electrical coupling, wear is minimized or even completely avoided, which further reduces the probability of failure of the exhaust gas turbocharger.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Verstellvorrichtungen pneumatisch miteinander gekoppelt. Eine pneumatische Kopplung hat den Vorteil inne, dass ein Gesamtgewicht des Abgasturboladers gering gehalten werden kann. Auch sind hierbei kleine, das heißt gering im Querschnitt, und jedwede Formen von Ansteuerungs- beziehungsweise Kopplungskanälen möglich. Ein weiterer vorteilbehafteter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Verstellvorrichtungen hydraulisch gekoppelt sind. Eine hydraulische Kopplung erlaubt eine Übertragung von großen Kräften besonders im Falle einer Verwendung eines inkompressiblen Fluids. Auch ist dabei eine Wartungsintensität gegenüber einer pneumatischen Kopplung herabgesetzt.In an alternative embodiment of the invention, the adjusting devices are pneumatically coupled together. A pneumatic coupling has the advantage that a total weight of the exhaust gas turbocharger can be kept low. Also, this small, that is low in cross-section, and any forms of Ansteuerungs- or coupling channels possible. Another advantageous aspect of the invention provides that the adjusting devices are hydraulically coupled. A hydraulic coupling allows a transmission of large forces, especially in the case of using an incompressible fluid. Also, a maintenance intensity is reduced compared to a pneumatic coupling.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Verstellvorrichtungen mechanisch miteinander gekoppelt. Dies hat die Vorteile inne, dass eine mechanische Kopplung am kostengünstigsten zu realisieren ist. Auch im Hinblick auf die mechanische Zuverlässigkeit bietet die mechanische Kopplung das größte Potential, da somit eine robuste Kopplung mit einer hohen Lebensdauer realisierbar ist.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the adjusting devices are mechanically coupled together. This has the advantages that a mechanical coupling is the most cost-effective to implement. Also in terms of mechanical reliability, the mechanical coupling offers the greatest potential, since thus a robust coupling with a long service life can be realized.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass bezüglich der Verstellvorrichtung für den Turbinenradeintrittsbereich und bezüglich der Verstellvorrichtung für den Turbinenradaustrittsbereich konkrete Verstellvorrichtungen genannt wurden. Dabei ist es vorstellbar, dass jedwede andere Formen von Verstellvorrichtungen für den Turbinenradeintrittsbereich und für den Turbinenradaustrittsbereich einsetzbar sind. Auch mit anderen Verstellvorrichtungen als den genannten lassen sich die beschriebenen Vorteile realisieren, auch und besonders im Zusammenhang mit der Kopplung der beiden Verstellvorrichtungen.It should be noted that with regard to the adjusting device for the turbine wheel inlet region and with respect to the adjusting device for the turbine wheel outlet region, specific adjusting devices have been mentioned. It is conceivable that any other forms of adjusting devices for the turbine wheel inlet area and for the turbine wheel outlet area can be used. Even with other adjusting devices than those mentioned, the described advantages can be realized, also and especially in connection with the coupling of the two adjusting devices.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbinenrad, bei welchem mittels einer ersten, in einem Turbinenaustrittsbereich angeordneten Verstellvorrichtung eine Turbinenradaustrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers variabel eingestellt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels einer zweiten, in einem Turbinenradeintrittsbereich angeordneten Verstellvorrichtung eine Turbinenradeintrittströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers variabel eingestellt wird.In a method according to the invention for an exhaust-gas turbocharger for an internal combustion engine with a turbine wheel in which a turbine wheel outlet flow area is variably adjusted as a function of operating parameters of the exhaust-gas turbocharger by means of a first adjusting device arranged in a turbine outlet area, it is provided according to the invention that by means of a second, arranged in a turbine wheel inlet area Adjusting a Turbinenradeintrittströmungsfläche is set variably in dependence on operating parameters of the exhaust gas turbocharger.
Dieses Verfahren ist besonders in vorteilhafter Weise in Verbindung mit einem zuvor genannten Abgasturbolader einzusetzen.This method is particularly advantageous to use in conjunction with a previously mentioned exhaust gas turbocharger.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein Wirkungsgrad optimaler Betrieb des Abgasturboladers in einem breiten Turbinenbetriebsbereich des Abgasturboladers und in einem breiten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.The inventive method, an efficiency optimum operation of the exhaust gas turbocharger in a wide turbine operating range of Exhaust gas turbocharger and be realized in a wide operating range of the internal combustion engine.
Werden bei dem Verfahren die Verstellvorrichtungen mit einer gemeinsamen Verstellbewegung eingestellt, so kann ein Programmier- und Regelaufwand gering gehalten werden, wodurch Kosten, insbesondere Entwicklungskosten, eingespart werden können.If the adjusting devices are adjusted with a common adjusting movement in the method, a programming and control effort can be kept low, whereby costs, in particular development costs, can be saved.
Besonders stark zum Tragen kommt eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers zum Tragen, wenn sie in einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Durch den beschriebenen wirkungsgradoptimalen Betrieb in einem breiten Spektrum an Betriebspunkten kann ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine und damit CO2-Emissionen derselbigen reduziert werden, was einerseits der Umwelt und andererseits dem Fahrer des Kraftwagens, in den einer derartige Verbrennungskraftmaschine eingebaut ist, zugute kommt.Particularly effective for carrying is a use of a method according to the invention and an exhaust gas turbocharger according to the invention for carrying, when they are used in an internal combustion engine. Due to the efficiency-optimal operation described in a wide range of operating points fuel consumption of the internal combustion engine and thus CO 2 emissions derselbigen can be reduced, on the one hand the environment and on the other hand the driver of the motor vehicle, in which such an internal combustion engine is installed benefits.
Diese Aspekte werden durch die Berücksichtigung der mechanischen Zuverlässigkeit der Komponenten und einer kostengünstigen Umsetzung wie beschrieben weiter verstärkt.These aspects are further enhanced by considering the mechanical reliability of the components and cost effective implementation as described.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine ist eine Recheneinheit vorgesehen, mittels derer ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Eine derartige Recheneinheit ermöglicht es, die Verstellvorrichtungen schnellst möglich an den Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb des Abgasturboladers anzupassen. Eine besonders schnelle Anpassung der Verstellvorrichtungen an den Betriebspunkt ist daher wünschenswert und birgt den Vorteil, als dass das Ansprechverhalten des Abgasturboladers dadurch deutlich verbessert und damit ein Turboloch reduziert beziehungsweise vermieden wird.In an advantageous embodiment of the internal combustion engine, a computing unit is provided, by means of which a method according to the invention can be carried out. Such a computing unit makes it possible to adapt the adjusting devices as quickly as possible to the operating point of the internal combustion engine for optimum efficiency of the exhaust gas turbocharger. A particularly rapid adjustment of the adjustment to the operating point is therefore desirable and has the advantage that the response of the exhaust gas turbocharger thereby significantly improved and thus a turbo lag is reduced or avoided.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Figuren zeigen in:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following descriptions of several embodiments and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or alone in the figures are not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the invention. The figures show in:
Fig. 1 ein Verlauf eines Durchsatzparameters eines Abgasturboladers über einem Turbinendruckverhältnis, mit einer oberen und einer unteren durch Anschlagspositionen einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich vorgegebenen Grenze,1 shows a course of a flow rate parameter of an exhaust gas turbocharger over a turbine pressure ratio, with an upper and a lower limit given by abutment positions of an adjusting device in a turbine wheel inlet area,
Fig. 2 abschnittsweise einen Längsschnitt durch eine Turbine eines Abgasturboladers mit einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und mit einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradaustrittsbereich,2 shows sections of a longitudinal section through a turbine of an exhaust gas turbocharger with an adjusting device in a turbine wheel inlet region and with an adjusting device in a turbine wheel outlet region,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Turbine eines Abgasturboladers mit einer von Fig. 2 verschiedenen Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradaustrittsbereich, wie in Fig. 2,3 shows a longitudinal section through a turbine of an exhaust gas turbocharger with a different adjustment device from FIG. 2 in a turbine wheel inlet region and an adjusting device in a turbine wheel outlet region, as in FIG. 2, FIG.
Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Turbinenrad und einen Außenkonturschieber eines Abgasturboladers,4 shows a longitudinal section through a turbine wheel and an outer contour slide of an exhaust gas turbocharger,
Fig. 5 zwei Verläufe von Strömungsflächen über einer Verstellvorrichtungs- Bewegung zweier unterschiedlicher Verstellvorrichtungen in einem Turbinenradeintrittsbereich und5 shows two courses of flow areas over an adjusting device movement of two different adjusting devices in a turbine wheel inlet area and
Fig. 6 ein Schaltbild eines Aufladesystems mit einem Abgasturbolader, der sowohl in einem Turbinenradeintrittsbereich als auch in einem Turbinenradaustrittsbereich jeweils eine Verstellvorrichtung aufweist.6 shows a circuit diagram of a supercharging system with an exhaust-gas turbocharger, which in each case has an adjusting device both in a turbine-wheel inlet region and in a turbine-wheel outlet region.
Während Fig. 1 ein Durchsatzdiagramm zeigt, welches hinsichtlich einer Verstellung einer Verstellvorrichtung sowohl in einem Turbinenradeintrittsbereich als auch einem Turbinenradaustrittsbereich zentrale Bedeutung hat, sind in Fig. 2 und in Fig. 3 zwei Ausführungsformen für eine Verstellvorrichtung in eben dem Turbinenradeintrittsbereich und dem Turbinenradaustrittsbereich dargestellt, wobei die Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich in Fig. 2 und in Fig. 3 gleich ist. Der Unterschied zwischen Fig. 2 und Fig. 3 besteht in der Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich. Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit zu einer Wirkungsgradbegünstigung eines Abgasturboladers auf, in dem eine Schaufelauslegung eines Turbinenrads angepasst wird. Der Fig. 5 ist der Zusammenhang zwischen einer freigegebenen Strömungsfläche und einer Bewegung einer Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich und einer Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich zu entnehmen, wobei jeweils die Verstellvorrichtungen aus Fig. 2 und Fig. 3 abgehandelt werden. Fig. 6 zeigt eine Zusammenschau eines Abgasturboladers, der je eine Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich und im Turbinenradaustrittsbereich aufweist, mit weiteren Komponenten eines Aufladesystems einer Verbrennungskraftmaschine.While FIG. 1 shows a throughput diagram which is of central importance with regard to an adjustment of an adjusting device both in a turbine wheel inlet area and a turbine wheel outlet area, two embodiments for an adjusting device in just the turbine wheel inlet area and the turbine wheel outlet area are shown in FIG. 2 and in FIG. wherein the adjusting device in the turbine wheel outlet region in Fig. 2 and in Fig. 3 is the same. The difference between Fig. 2 and Fig. 3 consists in the adjustment in Turbinenradeintrittsbereich. FIG. 4 shows a further possibility for an efficiency advantage of an exhaust gas turbocharger, in which a blade design of a turbine wheel is adapted. FIG. 5 shows the relationship between a released flow area and a movement of an adjusting device in the turbine wheel inlet area and an adjusting device in the turbine wheel outlet area, wherein in each case the adjusting devices from FIG. 2 and FIG. 3 are dealt with. FIG. 6 shows an overview of an exhaust-gas turbocharger, which in each case has an adjusting device in the turbine-wheel inlet region and in the turbine-wheel outlet region, with further components of a supercharging system of an internal combustion engine.
Ein in Fig. 1 durch einen unteren Anschlag 10 und einen oberen Anschlag 12 einer Verstellvorrichtung abgegrenzter Durchsatzbereich 14 einer Turbine eines Abgasturboladers, der einen Verstellbereich der Verstellvorrichtung darstellt, ist herkömmlicher Weise nur durch eine Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich, also kurz gesagt durch eine Radeintrittsvariabilität, realisiert.A throughput region 14 of a turbine of an exhaust gas turbocharger, which is an adjustment region of the adjustment device and is delimited by a lower stop 10 and an upper stop 12 of an adjustment device, is conventionally only by means of an adjustment device in a turbine wheel entry region, in other words by a wheel entry variability. realized.
Am unteren Anschlag 10 ist hier ein effektiver Strömungsquerschnitt vor einem Turbinenrad sehr stark verengt, wodurch sich Reaktionsgrade im Bereich von 0 oder sogar mit negativen Werten einstellen.Here, an effective flow cross-section in front of a turbine wheel is very narrowed at the lower stop 10, whereby reaction rates in the range of 0 or even with negative values are established.
Ein bei diesem Ausgangspunkt zunächst noch unveränderbare engster Strömungsquerschnitt nach dem Turbinenrad, also einA at this starting point still unchangeable narrowest flow cross-section after the turbine wheel, so a
Turbinenradaustrittsquerschnitt, ist für diesen engsten Strömungsquerschnitt vor dem Turbinenrad, also an einem Turbinenradeintrittsquerschnitt, um ein Vielfaches zu groß. Damit einher gehen gegenüber einer Auslegungsposition (zum Beispiel in Mittelposition) der Verstellvorrichtung starke Wirkungsgradabschläge, die bei Abgasturbolader-Turbinen für eine PKW- oder eine NFZ-Anwendung 20- bis über 30%-Punkte betragen können.Turbinenradaustrittsquerschnitt, is for this narrowest flow area in front of the turbine wheel, ie at a turbine wheel inlet cross-section, too many times. Associated with a design position (for example, in the middle position) of the adjustment strong efficiency deductions that can be 20- to over 30% points in turbocharger turbines for a car or a commercial vehicle application.
Durch eine Verkopplung der Verstellvorrichtung an einem Turbinenradeintritt mit einer Verstellvorrichtung an einem Turbinenradaustritt, also kurz gesagt durch eine Verkopplung einer Eintrittsvariabilität mit einer Austrittsvariabilität der Turbine des Abgasturboladers, wird ein engster Austrittsströmungsquerschnitt des Turbinenrades auf einen kleinen Wert eingestellt, wobei ein Eintrittsströmungsquerschnitt des Turbinenrades bei gleicher Durchsatzlinie (unterer Anschlag) auf größere Werte zugeordnet wird, was zu wirkungsgradgünstigeren Reaktionsgraden der Turbine mit Werten über 0 gegebenenfalls je nach Auslegung auch über einen Wert von 0,3 führt.By coupling the adjusting device to a turbine wheel inlet with an adjusting device at a turbine wheel outlet, ie in short by coupling an inlet variability with an outlet variability of the turbine of the exhaust gas turbocharger, a narrowest outlet flow cross section of the turbine wheel is set to a small value, wherein a Inlet flow cross-section of the turbine wheel at the same throughput line (bottom stop) is assigned to larger values, which leads to more favorable efficiency degrees of reaction of the turbine with values above 0 optionally also depending on the design over a value of 0.3.
Für eine maximale Durchsatzfähigkeit wird bei einer Standardturbine die Eintrittsvariabilität auf einen maximalen Strömungsquerschnittswert eingestellt. Der unveränderbare Strömungsquerschnitt am Turbinenradaustritt ist in vielen Fällen auf einen mittleren Durchsatzbetriebspunkt ausgelegt.For maximum throughput, the entry variability is set to a maximum flow area value for a standard turbine. The unchangeable flow area at the turbine outlet is in many cases designed for a medium throughput operating point.
Somit ist ein engster Strömungsquerschnitt am Turbinenradaustritt gegenüber einem engsten Strömungsquerschnitt am Turbinenradeintritt üblicher Weise zu klein.Thus, a narrowest flow cross section at the turbine wheel outlet is usually too small compared to a narrowest flow cross section at the turbine wheel inlet.
Eine Folge sind Reaktionsgradwerte, die meist weit über einem Wert von 0,6 oder sogar über einem Wert von 0,8 liegen. Große Wirkungsgradabschläge werden in diesem Betriebsbereich durch sehr hohe Verluste am Turbinenradaustritt dominiert.One consequence is reaction degree values, which are usually well above a value of 0.6 or even above a value of 0.8. Large efficiency reductions are dominated in this operating range by very high losses at the turbine wheel outlet.
Die Turbine mit einer Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich und einer Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich wird in einem oberen Durchsatzbereich (oberer Anschlag) einen engstenThe turbine with an adjusting device in the turbine wheel inlet region and an adjusting device in the turbine wheel outlet region becomes the narrowest in an upper throughput region (upper stop)
Turbinenradströmungsquerschnitt durch Öffnen vergrößern, um Reaktionsgrade mit den Werten im Bereich von unter 0,7 oder bei Optimalauslegung auf einen Wert von 0,5 zu drücken.Increase turbine wheel flow area by opening to press reaction levels of less than 0.7 or optimally rated to 0.5.
Eine Drehzahlabhängigkeit des Durchsatzdiagramms beziehungsweise einer Durchsatzkennlinie wird sich dadurch reduzieren und aufgrund der verbesserten Reaktionsgradwerte der Turbine ein erhöhtes Wirkungsgradniveau bei abgesenkten Turbinenradaustrittsverlusten am oberen Anschlag einstellen.A speed dependency of the throughput diagram or a throughput characteristic curve will thereby be reduced and, due to the improved reaction degree values of the turbine, set an increased efficiency level with lowered turbine wheel outlet losses at the upper stop.
Fig. 2 und 3 zeigen in einem Längsschnitt je eine Turbine mit je einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und einem Turbinenradaustrittsbereich, wobei die Verstellvorrichtungen mechanisch miteinander gekoppelt sind und betreffende Strömungsquerschnitte beeinflussen können. Die Fig. 2 zeigt eine Turbine 20 mit einer Verstellvorrichtung in Form eines variablen Leitgitters 24 in einem Turbinenradeintrittsbereich 26 eines Turbinenrades 22.2 and 3 show in a longitudinal section a respective turbine with one adjusting device each in a turbine wheel inlet region and a turbine wheel outlet region, the adjusting devices being mechanically coupled to one another and being able to influence respective flow cross sections. FIG. 2 shows a turbine 20 with an adjusting device in the form of a variable guide grid 24 in a turbine wheel inlet region 26 of a turbine wheel 22.
Bei der Verstellvorrichtung handelt es sich um einen so genannten Drehschaufler. Das variable Leitgitter 24 des Drehschauflers weist drehbare Schaufeln auf und ist mit einem axial verschiebbaren Konusschieber 28 verbunden. Dieser Konusschieber 28 beeinflusst einen engsten Strömungsquerschnitt eines Turbinenradaustrittsbereichs 30. Beide Verstellvorrichtungen, also das Leitgitter 24 und der Konusschieber 28, lassen sich simultan über einen einzigen Steller bewegen, der an einem Anschlussteil 32 befestigbar ist.The adjusting device is a so-called rotary vane. The variable baffle 24 of the rotary vane has rotatable vanes and is connected to an axially displaceable cone slide 28. This conical slide 28 influences a narrowest flow cross-section of a turbine wheel outlet region 30. Both adjusting devices, that is to say the guide grid 24 and the cone slide 28, can be moved simultaneously via a single actuator which can be fastened to a connection part 32.
Die Verbindung und Führung der beiden Verstellvorrichtungen erfolgt über eine Hülse 34, die in Fig. 2 in einer Verstellphase eine Drehbewegung um eine Drehachse 36 des Turbinenrades 22 ausführt und für das Leitgitter 24 stirnseitig Hebel 38 von drehbaren Leitschaufeln um eine Achse 40 mit einer gering tolerierten Aussparung 42 umfasst.The connection and guidance of the two adjusting devices via a sleeve 34 which performs in Fig. 2 in an adjustment phase a rotational movement about an axis of rotation 36 of the turbine wheel 22 and the guide rail 24 front side lever 38 of rotatable vanes about an axis 40 with a low tolerance Recess 42 includes.
Eine Kraftübertragung erfolgt also zwischen der Aussparung 42 und einer Berührstelle 44 des hier dargestellten Hebels 38.A power transmission thus takes place between the recess 42 and a contact point 44 of the lever 38 shown here.
Im Turbinenradaustrittsbereich 30 ist eine variable Einstellung des Strömungsquerschnittes mittels des Konusschiebers 28 realisiert. Der Konusschieber 28 wird von einem Gehäusekonturstück 46 in axialer Richtung geführt und durch seine Kulissenstifte 48 (zum Beispiel 3 über seinem Umfang) über eine Kulissennut 50 der Hülse 34 axial positioniert.In the turbine wheel outlet region 30, a variable adjustment of the flow cross-section is realized by means of the cone slide 28. The cone slide 28 is guided by a housing contour piece 46 in the axial direction and axially positioned by its guide pins 48 (for example 3 over its circumference) via a slide groove 50 of the sleeve 34.
Bei einem maximalen Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich 30 befindet sich eine Kontur 52 des Konusschiebers 28 mit einem geringen Funktionsspalt über einer Turbinenradaußenkontur 54, wobei eine Austrittsströmung im Turbinenradaustrittsbereich 30 gezwungen wird, weitgehend über eine Austrittskante 56 abzuströmen.With a maximum flow cross section in the turbine wheel outlet region 30, there is a contour 52 of the cone slide 28 with a small functional gap over a turbine wheel outer contour 54, wherein an outlet flow in the turbine wheel outlet region 30 is forced to flow off largely via an outlet edge 56.
Eine Übersetzung beziehungsweise eine Kinematik zwischen einem Element 58 und dem Anschlussteil 40 wird in Fig. 2 nicht näher aufgezeigt. Eine derartige Anordnung wäre auch mit geringen Modifikationen für eine Zungenschieberturbine brauchbar, die für einen Stoßbetrieb mit Einzelabgasrohren Verwendung findet. Auch Fig. 3 zeigt wie Fig. 2 eine Turbine 60 mit einer Verstellvorrichtung in dem Turbinenradeintrittsbereich 26 und einer Verstellvorrichtung in dem Turbinenradaustrittsbereich 30 des Turbinenrades 22.A translation or kinematics between an element 58 and the connection part 40 is not shown in detail in FIG. Such an arrangement would also be useful with minor modifications to a tongue-and-shoot turbine that is used for single exhaust tube thrust operation. Like FIG. 2, FIG. 3 also shows a turbine 60 with an adjusting device in the turbine wheel inlet region 26 and an adjusting device in the turbine wheel outlet region 30 of the turbine wheel 22.
Die Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich 30 des Turbinenrades 22 ist dabei der bekannte Konusschieber 28 aus Fig. 1. Bei der Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich 26 handelt es sich um einen Axialschieber. Ein effektiver Strömungsquerschnitt eines starren Leitgitters 24' ist in diesem Fall mittels einer Matrize 62, in deren Schaufelprofilöffnungen Leitschaufeln des Leitgitters 24'eintauchen, von einer axial eingestellten Schaufelhöhe her bestimmt. Die Matrize 62 ist mit einer Hülse 64 fest verbunden, die über ihrem Umfang mehrere größere Aussparungen 66 aufweist. In den Aussparungen 66 verlaufen gehäuseseitige Streben 68 für eine Abstützung unter anderem einer Außenkontur 68.The adjusting device in the turbine wheel outlet region 30 of the turbine wheel 22 is the known cone slide 28 from FIG. 1. The adjusting device in the turbine wheel inlet region 26 is an axial slide. An effective flow cross-section of a rigid guide grid 24 'is determined in this case by means of a die 62, in whose blade profile openings guide vanes of the guide grid 24', from an axially set blade height ago. The die 62 is fixedly connected to a sleeve 64 which has a plurality of larger recesses 66 over its circumference. In the recesses 66 housing-side struts 68 extend for support, inter alia, an outer contour 68th
Da in Fig. 3 beide Verstellvorrichtungen eine gleiche axiale Wegstrecke durchlaufen, wird der Konusschieber 28 mit der Hülse 64 mittels Verschraubungen 70 fixiert.Since in FIG. 3 both adjustment devices pass through an identical axial path, the cone slide 28 is fixed to the sleeve 64 by means of screw connections 70.
Aufgrund einer Einfachheit wird hier akzeptiert, dass die Matrize 62 in ihrer Endposition wenig optimal den Turbineneintrittsbereich 26 als größere Öffnung freigibt. Da diese Positionen nur in wenigen Betriebspunkten relevant ist, ist ein negativer Einfluss auf ein Gesamtbetriebsverhalten nur gering spürbar.Due to a simplicity, it is accepted here that the die 62, in its end position, does not optimally release the turbine inlet region 26 as a larger opening. Since these positions are only relevant in a few operating points, a negative influence on overall operating behavior is only slightly noticeable.
Für unterschiedliche axiale Wegstrecken der Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich 26 und der Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich 30 sind beispielsweise getrennte Hülsen mit Kulissennuten oder Kurvenformen an Hülsenstirnseiten denkbar.For different axial distances of the adjusting device in the turbine wheel inlet region 26 and the adjusting device in the turbine wheel outlet region 30, for example, separate sleeves with slide grooves or curve shapes on sleeve end faces are conceivable.
Eine axiale Verstellung erfolgt über eine Mechanikvorrichtung zwischen dem Element 58' und dem Anschlussteil 32', die hier beide nicht näher gezeigt werden.An axial adjustment via a mechanical device between the element 58 'and the connection part 32', both of which are not shown here in detail.
Fig. 4 zeigt eine Konturhülse 80, die eine Außenkontur herkömmlicher Auslegungen freigibt. Um einer derartige Öffnung im Turbinenradaustrittsbereich 30 des Turbinenrades 22 realisieren zu können, wird man sich bei einer Gestaltung des Turbinenradaustrittsbereichs 30 von einer streng radialen Schaufelauslegung entfernen und eine Rückwärtskrümmung eines zu öffnenden Schaufelbereichs anstreben.Fig. 4 shows a contoured sleeve 80, which releases an outer contour of conventional designs. In order to realize such an opening in the turbine wheel outlet region 30 of the turbine wheel 22, one is at a Remove the design of the turbine wheel exit region 30 from a strictly radial blade design and aim for a backward curvature of an openable blade region.
Fig. 5 zeigt für die in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Turbinen 20 und 60 prinzipiell maßgebende zu beeinflussende engste Strömungsquerschnitte in Abhängigkeit eines Verstellwegsλ-winkels der Verstellvorrichtungen im Turbinenradeintrittsbereich und im Turbinenradaustrittsbereich. Das Diagramm 100 repräsentiert dabei die Turbine 20 aus Fig. 2 mit dem Drehschaufler im Turbinenradeintrittsbereich und dem Konusschieber imFor the turbines 20 and 60 shown in FIGS. 2 and 3, FIG. 5 basically shows decisive narrowest flow cross sections to be influenced as a function of a displacement angle λ of the adjusting devices in the turbine wheel inlet region and in the turbine wheel outlet region. The diagram 100 represents the turbine 20 from FIG. 2 with the rotary blade in the turbine wheel inlet area and the cone slider in FIG
Turbinenradaustrittsbereich. Dementsprechend repräsentiert das Diagramm 100' die Turbine 60 aus Fig. 3 mit dem Axialschieber im Turbinenradeintrittsbereich und dem Konusschieber im Turbinenradaustrittsbereich.Turbine wheel outlet area. Correspondingly, the diagram 100 'represents the turbine 60 of FIG. 3 with the axial slide in the turbine wheel inlet region and the cone slide in the turbine wheel outlet region.
Für die betrachteten Turbinen wird bei Zugrundelegung von Wirkungsgrad- Optimalbedingungen angestrebt, ein Verhältnis der Strömungsquerschnitte zwischen den beiden Vorrichtungen so zu realisieren dass sich Reaktionsgrade nahe dem Wert von 0,5 einstellen. Da bei einer Auslegung von Turbinen mit Verstellvorrichtungen zur Beeinflussung von Strömungsparametern im Turbinenradeintrittsbereich und/oder im Turbinenradaustrittsbereich für Abgasturbolader eine Vielzahl von Randbedingungen zu erfüllen sind, erhält man einen auf einen gesamten Betriebsbereich bezogene wirkungsgradgünstige Turbine, wenn es ermöglicht wird, Reaktionsgrade innerhalb eines Wertebereichs von 0,3 bis 0,7 bei großen geforderten Durchsatzspreizungen zu halten.For the considered turbines, it is intended, on the basis of optimum efficiency conditions, to realize a ratio of the flow cross sections between the two devices in such a way that reaction rates approach the value of 0.5. Since in a design of turbines with adjusting devices for influencing flow parameters in Turbinenradeintrittsbereich and / or Turbinenradaustrittsbereich for exhaust gas turbocharger a variety of boundary conditions are met, one obtains on a whole operating range related efficiency-favorable turbine, if it is possible, reaction levels within a range of 0.3 to 0.7 at large required throughput spreads to keep.
Der jeweils obere Verlauf der Diagramme 100 und 100' repräsentiert einen engsten Strömungsquerschnitt im Turbinenradaustrittsbereich, bei dem in beiden Fällen der Diagramme 100 und 100' als Verstellvorrichtung der Konusschieber angeordnet ist.The respective upper course of the diagrams 100 and 100 'represents a narrowest flow cross-section in the turbine wheel outlet region, in which case the diagrams 100 and 100' are arranged as adjusting device of the cone slides in both cases.
Der jeweils untere Verlauf repräsentiert den engsten Strömungsquerschnitt im Turbinenradeintrittsbereich. Dabei ist wie erwähnt im Diagramm 100 als Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich ein Drehschaufler angeordnet und bei Diagramm 100' ein Axialschieber.The respective lower course represents the narrowest flow cross section in the turbine wheel inlet area. As mentioned above, a rotary blade is arranged in the diagram 100 as adjusting device in the turbine wheel inlet region and an axial slide is shown in diagram 100 '.
In Fig. 6 ist ein Schaltbild eines Aufladesystems 110 dargestellt. Bei diesem Aufladesystem 110 ist auf einer Luftseite 114 eines Abgasturboladers 118 und damit einer Verbrennungskraftmaschine 112 ein Verdichter 120 angeordnet, der angesaugte und durch einen Luftfilter 122 gefilterte Luft verdichtet zur Darstellung eines gewissen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in der Verbrennungskraftmaschine, um ein gewisses Leistungsniveau zu erreichen.FIG. 6 shows a circuit diagram of a charging system 110. In this supercharging system 110, a compressor 120 is arranged on an air side 114 of an exhaust gas turbocharger 118 and thus an internal combustion engine 112, the compressed and filtered by an air filter 122 compressed air to represent a certain air-fuel ratio in the internal combustion engine to a certain level of performance to reach.
Des Weiteren ist auf der Luftseite 114 ein Ladeluftkühler 124 zur Kühlung der verdichteten Luft vorgesehen.Furthermore, an intercooler 124 for cooling the compressed air is provided on the air side 114.
Zu einer Denoxierung eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine 112, also zur Reduzierung von Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine 112, wird ein Abgas von einer Abgasseite 116 des Abgasturboladers 118 und damit der Verbrennungskraftmaschine 112 noch vor einer Turbine 128 des Abgasturboladers 118 abgezapft und über ein Abgasrückführungsventil 126 und einen Abgasrückführungskühler 130 auf die Luftseite 114 des Abgasturboladers 118 und damit der Verbrennungskraftmaschine 112 zurückgeführt. Dadurch ist eine Hochdruck-AGR-Option realisiert.For a denoxification of an exhaust gas of the internal combustion engine 112, that is to reduce raw emissions of the internal combustion engine 112, an exhaust gas from an exhaust gas side 116 of the exhaust gas turbocharger 118 and thus the internal combustion engine 112 is tapped before a turbine 128 of the exhaust gas turbocharger 118 and an exhaust gas recirculation valve 126 and an exhaust gas recirculation cooler 130 is returned to the air side 114 of the exhaust gas turbocharger 118 and thus the internal combustion engine 112. This realizes a high pressure EGR option.
Nicht zurückgeführtes Abgas strömt durch die Turbine 128 des Abgasturboladers 118, wodurch über eine Welle 136 der Verdichter 120 auf der Luftseite 114 angetrieben wird.Unreturned exhaust gas flows through the turbine 128 of the exhaust gas turbocharger 118, whereby the compressor 120 is driven on the air side 114 via a shaft 136.
Nach Verlassen der Turbine 128 strömt das Abgas weiter durch eine Abgasnachbehandlungsanlage 132, wo es gereinigt wird und in die Umgebung strömt.After leaving the turbine 128, the exhaust gas continues to flow through an exhaust aftertreatment system 132, where it is cleaned and flows into the environment.
Als Besonderheit dieses Aufladesystems 110 kommt als Turbine 128 des Abgasturboladers 118 eine Turbine mit jeweils einer Verstellvorrichtung in einem Turbinenradeintrittsbereich und in einem Turbinenradaustrittsbereich zum Einsatz. Dabei kann es sich beispielsweise um die in Fig. 2 oder in Fig. 3 dargestellte Turbine handeln. Das Bezugszeichen 140 kennzeichnet dabei die Verstellvorrichtung im Turbinenradeintrittsbereich, während das Bezugszeichen 138 die Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich bezeichnet.As a special feature of this charging system 110 comes as a turbine 128 of the exhaust gas turbocharger 118 is a turbine with one adjusting device in each case in a turbine wheel inlet area and in a turbine wheel outlet area used. This may be, for example, the turbine shown in FIG. 2 or in FIG. 3. The reference numeral 140 indicates the adjusting device in the turbine wheel inlet region, while the reference symbol 138 designates the adjusting device in the turbine wheel outlet region.
Wie im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschrieben, kann dabei die Verstellvorrichtung 140 im Turbinenradeintrittsbereich eine axiale Bewegung und/oder eine Drehbewegung vollführen, was durch die Richtungspfeile angedeutet ist.As described in connection with FIGS. 2 and 3, the adjusting device 140 can thereby move axially in the turbine wheel inlet region and / or perform a rotational movement, which is indicated by the directional arrows.
Die Verstellvorrichtung 138 im Turbinenradaustrittsbereich kann gemäß des in Fig. 2 und 3 gezeigten Konusschiebers in axialer Richtung verstellt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch eine Drehbewegung bei der Verstellvorrichtung im Turbinenradaustrittsbereich und insbesondere bei dem Konusschieber denkbar ist, da aufgrund einer Rotationssymmetrie desselbigen kein Einfluss auf Strömungsparameter im Turbinenradaustrittsbereich vorhanden ist. Die beiden Verstellvorrichtungen 140 und 138 in Fig. 6 sind dabei über eine Koppelung 141 , egal nach welchem Prinzip, gekoppelt und laufen auf ein einziges Stellelement 142 zu.The adjusting device 138 in the turbine wheel outlet region can be adjusted in the axial direction according to the cone slide shown in FIGS. 2 and 3. It should be noted at this point that a rotational movement is also conceivable in the adjusting device in the turbine wheel outlet region and in particular in the cone slide, since there is no influence on flow parameters in the turbine wheel outlet region due to a rotational symmetry of the same. The two adjusting devices 140 and 138 in Fig. 6 are coupled via a coupling 141, no matter what principle, and run to a single actuator 142 to.
Dieses Stelleelement 142 sowie die Abgasrückführung werden von einer Regelungseinrichtung 134 in Abhängigkeit eines Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine 112 entsprechend Anforderungen der Verbrennungskraftmaschine 112 geregelt, wodurch Strömungsparameter im Turbinenradeintrittsbereich und im Turbinenradaustrittsbereich wirkungsgradoptimal eingestellt werden. Auch die Verbrennungskraftmaschine 112 selbst beziehungsweise ihre Komponenten wie beispielsweise eine Nockenwellenverstellung und/oder eine Einspritzmenge et cetera werden von der Regelungseinrichtung 134 geregelt.This control element 142 and the exhaust gas recirculation are regulated by a control device 134 as a function of an operating point of the internal combustion engine 112 in accordance with requirements of the internal combustion engine 112, whereby flow parameters in the turbine wheel inlet region and in the turbine wheel outlet region are set to optimum efficiency. The internal combustion engine 112 itself or its components such as a camshaft adjustment and / or an injection quantity et cetera are regulated by the control device 134.
Dadurch steigt ein Gesamtwirkungsgrad des Aufladesystems 110, wodurch ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 112 und damit CO2- Emissionen reduziert werden. This increases the overall efficiency of the supercharging system 110, thereby reducing fuel consumption of the internal combustion engine 112 and thus CO 2 emissions.

Claims

Patentansprüche claims
1. Abgasturbolader (118) für eine Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Turbinenrad (22), bei welchem in einem Turbinenradaustrittsbereich (30) eine erste Verstellvorrichtung (28), insbesondere ein Konusschieber (28), zur variablen Einstellung einer Turbinenradaustrittsströmungsfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Turbinenradeintrittsbereich (26) eine zweite Verstellvorrichtung (24) zur variablen Einstellung einer Turbinenradeintrittsströmungsfläche angeordnet ist.An exhaust gas turbocharger (118) for an internal combustion engine (112) with a turbine wheel (22), in which a first adjustment device (28), in particular a cone slide (28), is arranged for variable adjustment of a turbine wheel outlet flow area in a turbine wheel outlet region (30) in that a second adjusting device (24) for variably setting a turbine wheel inlet flow area is arranged in a turbine wheel inlet area (26).
2. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verstellvorrichtung (28) eine axiale Hauptbewegung aufweist.2. Exhaust gas turbocharger (118) according to claim 1, characterized in that the first adjusting device (28) has an axial main movement.
3. Abgasturbolader (118) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verstellvorrichtung (24) als ein Leitgitter (24), insbesondere ein Drehschaufler (24), ausgebildet ist, bei welchem ein drehbarer Verstellring vorgesehen ist, und ein Leitgitterquerschnitt und ein Schaufelwinkel variabel einstellbar sind.3. Exhaust gas turbocharger (118) according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the second adjusting device (24) as a guide grid (24), in particular a rotary vane (24) is formed, in which a rotatable adjusting ring is provided, and a Leitgitterquerschnitt and a blade angle are variably adjustable.
4. Abgasturbolader (118) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verstellvorrichtung (24) als ein Leitgitter (24'), insbesondere ein Axialschieber (24'), ausgebildet ist, bei welchem ein Leitgitter (24') oder eine Matrize (62) in axialer Längsrichtung des Abgasturboladers (118) bewegbar und/oder eine Schaufelhöhe variabel einstellbar ist bzw. sind.4. Exhaust gas turbocharger (118) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the second adjusting device (24) is designed as a guide grid (24 '), in particular an axial slide (24'), in which a guide grid (24 ') or a die (62) can be moved in the axial longitudinal direction of the exhaust gas turbocharger (118) and / or a blade height is variably adjustable or are.
5. Abgasturbolader (118) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) gekoppelt und mit einer gemeinsamen Stellbewegung verstellbar sind.5. Exhaust gas turbocharger (118) according to one of the preceding claims, characterized in that the adjusting devices (24, 28) are coupled and adjustable with a common adjusting movement.
6. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) elektrisch gekoppelt sind.6. Exhaust gas turbocharger (118) according to claim 5, characterized in that the adjusting devices (24, 28) are electrically coupled.
7. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) pneumatisch gekoppelt sind.7. Exhaust gas turbocharger (118) according to claim 6, characterized in that the adjusting devices (24, 28) are pneumatically coupled.
8. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) hydraulisch gekoppelt sind.8. Exhaust gas turbocharger (118) according to claim 7, characterized in that the adjusting devices (24, 28) are hydraulically coupled.
9. Abgasturbolader (118) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen(24, 28) mechanisch gekoppelt sind.9. Exhaust gas turbocharger (118) according to claim 8, characterized in that the adjusting devices (24, 28) are mechanically coupled.
10. Verfahren für einen Abgasturbolader (118) für eine Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Turbinenrad (22), bei welchem mittels einer ersten, in einem Turbinenradaustrittsbereich (30) angeordneten Verstellvorrichtung (28) eine Turbinenradaustrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers (118) variabel eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer zweiten, in einem Turbinenradeintrittsbereich (26 angeordneten Verstellvorrichtung (24) eine Turbinenradeintrittsströmungsfläche in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Abgasturboladers (118) variabel eingestellt wird.10. A method for an exhaust gas turbocharger (118) for an internal combustion engine (112) with a turbine wheel (22), in which by means of a first, in a Turbinenradaustrittsbereich (30) arranged adjusting device (28) a Turbinenradaustrittsströmungsfläche depending on operating parameters of the exhaust gas turbocharger (118) is set variably, characterized in that by means of a second, in a Turbinenradeintrittsbereich (26 arranged adjusting device (24) a Turbinenradeintrittsströmungsfläche depending on operating parameters of the exhaust gas turbocharger (118) is variably adjusted.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenradaustrittsströmungsfläche mittels einer Verstellvorrichtung (28) mit einer axialen Hauptbewegung variabel eingestellt wird.11. The method according to claim 10, characterized in that the Turbinenradaustrittsströmungsfläche is variably adjusted by means of an adjusting device (28) with an axial main movement.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtungen (24, 28) mit einer gemeinsamen Stellbewegung eingestellt werden.12. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that the adjusting devices (24, 28) are set with a common adjusting movement.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Stellbewegung mittels einer elektrischen und/oder einer pneumatischen und/oder einer hydraulischen und/oder einer mechanischen Verkopplung der Verstellvorrichtungen (24, 28) ausgeführt wird.13. The method according to claim 12, characterized in that the common adjusting movement by means of an electrical and / or pneumatic and / or hydraulic and / or mechanical coupling of the adjusting devices (24, 28) is performed.
14. Verbrennungskraftmaschine (112) mit einem Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9.14. internal combustion engine (112) with an exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 9.
15. Verbrennungskraftmaschine (112) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit (134) vorgesehen ist, mittels derer ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 durchführbar ist. 15. internal combustion engine (112) according to claim 14, characterized in that a computing unit (134) is provided, by means of which a method according to any one of claims 10 to 13 is feasible.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013014905A1 (en) 2013-09-06 2014-07-24 Daimler Ag Turbine for exhaust gas turbocharger of internal combustion engine in motor vehicles, comprises a driven turbine wheel having turbine wheel outlet portions having respective outlet cross-sections arranged in a predetermined ratio

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011016529A1 (en) * 2011-04-08 2012-01-05 Daimler Ag Turbine for an exhaust gas turbocharger and internal combustion engine with such a turbine
DE102012103411A1 (en) * 2012-04-19 2013-10-24 Ihi Charging Systems International Gmbh Turbine for an exhaust gas turbocharger
DE102012022510A1 (en) 2012-11-16 2014-05-22 Daimler Ag Turbine i.e. full-variable turbine, for exhaust gas turbocharger of internal combustion engine of i.e. passenger car, has entry variability element adjusted to minimal position around specific percent of switching position
DE102012023408B4 (en) 2012-11-30 2016-12-29 Siegfried Sumser Turbine for an exhaust gas turbocharger and internal combustion engine, in particular for motor vehicles
DE102013006369B4 (en) * 2013-04-12 2017-06-01 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Ring slide device for an exhaust gas turbocharger
DE102013006928A1 (en) * 2013-04-22 2014-10-23 Volkswagen Aktiengesellschaft turbocharger
DE102014012980A1 (en) 2014-09-01 2016-03-03 Edeltraud Bosch-Sumser Variable turbocharger turbine
DE102018004713A1 (en) 2018-06-10 2018-12-20 Siegfried Sumser Variable turbine with axial nozzle movement
DE102019000252A1 (en) 2019-01-13 2019-03-07 Siegfried Sumser Axial slide turbine with axially displaceable guide rail carrier

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5025629A (en) * 1989-03-20 1991-06-25 Woollenweber William E High pressure ratio turbocharger
DE4411678A1 (en) * 1994-04-05 1995-10-12 Mtu Friedrichshafen Gmbh Exhaust driven turbocharger with radial turbine, for diesel engines
ATE408749T1 (en) * 2002-09-18 2008-10-15 Honeywell Int Inc VARIABLE NOZZLE DEVICE FOR A TURBOCHARGER AND OPERATING METHOD THEREFOR
US8037684B2 (en) * 2005-04-04 2011-10-18 Honeywell International Inc. Variable flow turbocharger
DE102008049782A1 (en) * 2008-09-30 2010-04-08 Daimler Ag Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013014905A1 (en) 2013-09-06 2014-07-24 Daimler Ag Turbine for exhaust gas turbocharger of internal combustion engine in motor vehicles, comprises a driven turbine wheel having turbine wheel outlet portions having respective outlet cross-sections arranged in a predetermined ratio

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